/*
 * AHRS.cpp
 *
 *  Created on: Nov 27, 2013
 *      Author: helios
 */

#include "AHRS.h"
#include <math.h>

namespace opticopter {
	void AHRS::update(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float dt) {
		float recipNorm;
		float s0, s1, s2, s3;
		float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
		float _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _4q0, _4q1, _4q2, _8q1, _8q2, q0q0, q1q1, q2q2, q3q3;

		// Rate of change of quaternion from gyroscope
		qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
		qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
		qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
		qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);

		// Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
		if (!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {

			// Normalise accelerometer measurement
			recipNorm = 1 / sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
			ax *= recipNorm;
			ay *= recipNorm;
			az *= recipNorm;

			// Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
			_2q0 = 2.0f * q0;
			_2q1 = 2.0f * q1;
			_2q2 = 2.0f * q2;
			_2q3 = 2.0f * q3;
			_4q0 = 4.0f * q0;
			_4q1 = 4.0f * q1;
			_4q2 = 4.0f * q2;
			_8q1 = 8.0f * q1;
			_8q2 = 8.0f * q2;
			q0q0 = q0 * q0;
			q1q1 = q1 * q1;
			q2q2 = q2 * q2;
			q3q3 = q3 * q3;

			// Gradient decent algorithm corrective step
			s0 = _4q0 * q2q2 + _2q2 * ax + _4q0 * q1q1 - _2q1 * ay;
			s1 = _4q1 * q3q3 - _2q3 * ax + 4.0f * q0q0 * q1 - _2q0 * ay - _4q1 + _8q1 * q1q1 + _8q1 * q2q2 + _4q1 * az;
			s2 = 4.0f * q0q0 * q2 + _2q0 * ax + _4q2 * q3q3 - _2q3 * ay - _4q2 + _8q2 * q1q1 + _8q2 * q2q2 + _4q2 * az;
			s3 = 4.0f * q1q1 * q3 - _2q1 * ax + 4.0f * q2q2 * q3 - _2q2 * ay;
			recipNorm = 1 / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
			s0 *= recipNorm;
			s1 *= recipNorm;
			s2 *= recipNorm;
			s3 *= recipNorm;

			// Apply feedback step
			qDot1 -= beta * s0;
			qDot2 -= beta * s1;
			qDot3 -= beta * s2;
			qDot4 -= beta * s3;
		}

		// Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
		q0 += qDot1 * dt;
		q1 += qDot2 * dt;
		q2 += qDot3 * dt;
		q3 += qDot4 * dt;

		// Normalise quaternion
		recipNorm = 1 / sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
		q0 *= recipNorm;
		q1 *= recipNorm;
		q2 *= recipNorm;
		q3 *= recipNorm;
	}

	void AHRS::update(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz, float dt) {
		float recipNorm;
		float s0, s1, s2, s3;
		float qDot1, qDot2, qDot3, qDot4;
		float hx, hy;
		float _2q0mx, _2q0my, _2q0mz, _2q1mx, _2bx, _2bz, _4bx, _4bz, _2q0, _2q1, _2q2, _2q3, _2q0q2, _2q2q3, q0q0, q0q1, q0q2, q0q3, q1q1, q1q2, q1q3, q2q2, q2q3, q3q3;

		// Use IMU algorithm if magnetometer measurement invalid (avoids NaN in magnetometer normalisation)
		if ((mx == 0.0f) && (my == 0.0f) && (mz == 0.0f)) {
			update(gx, gy, gz, ax, ay, az, dt);
			return;
		}

		// Rate of change of quaternion from gyroscope
		qDot1 = 0.5f * (-q1 * gx - q2 * gy - q3 * gz);
		qDot2 = 0.5f * (q0 * gx + q2 * gz - q3 * gy);
		qDot3 = 0.5f * (q0 * gy - q1 * gz + q3 * gx);
		qDot4 = 0.5f * (q0 * gz + q1 * gy - q2 * gx);

		// Compute feedback only if accelerometer measurement valid (avoids NaN in accelerometer normalisation)
		if (!((ax == 0.0f) && (ay == 0.0f) && (az == 0.0f))) {

			// Normalise accelerometer measurement
			recipNorm = 1 / sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
			ax *= recipNorm;
			ay *= recipNorm;
			az *= recipNorm;

			// Normalise magnetometer measurement
			recipNorm = 1 / sqrt(mx * mx + my * my + mz * mz);
			mx *= recipNorm;
			my *= recipNorm;
			mz *= recipNorm;

			// Auxiliary variables to avoid repeated arithmetic
			_2q0mx = 2.0f * q0 * mx;
			_2q0my = 2.0f * q0 * my;
			_2q0mz = 2.0f * q0 * mz;
			_2q1mx = 2.0f * q1 * mx;
			_2q0 = 2.0f * q0;
			_2q1 = 2.0f * q1;
			_2q2 = 2.0f * q2;
			_2q3 = 2.0f * q3;
			_2q0q2 = 2.0f * q0 * q2;
			_2q2q3 = 2.0f * q2 * q3;
			q0q0 = q0 * q0;
			q0q1 = q0 * q1;
			q0q2 = q0 * q2;
			q0q3 = q0 * q3;
			q1q1 = q1 * q1;
			q1q2 = q1 * q2;
			q1q3 = q1 * q3;
			q2q2 = q2 * q2;
			q2q3 = q2 * q3;
			q3q3 = q3 * q3;

			// Reference direction of Earth's magnetic field
			hx = mx * q0q0 - _2q0my * q3 + _2q0mz * q2 + mx * q1q1 + _2q1 * my * q2 + _2q1 * mz * q3 - mx * q2q2 - mx * q3q3;
			hy = _2q0mx * q3 + my * q0q0 - _2q0mz * q1 + _2q1mx * q2 - my * q1q1 + my * q2q2 + _2q2 * mz * q3 - my * q3q3;
			_2bx = sqrt(hx * hx + hy * hy);
			_2bz = -_2q0mx * q2 + _2q0my * q1 + mz * q0q0 + _2q1mx * q3 - mz * q1q1 + _2q2 * my * q3 - mz * q2q2 + mz * q3q3;
			_4bx = 2.0f * _2bx;
			_4bz = 2.0f * _2bz;

			// Gradient decent algorithm corrective step
			s0 = -_2q2 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q1 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - _2bz * q2 * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-_2bx * q3 + _2bz * q1) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my)
			        + _2bx * q2 * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
			s1 = _2q3 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q0 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - 4.0f * q1 * (1 - 2.0f * q1q1 - 2.0f * q2q2 - az) + _2bz * q3 * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx)
			        + (_2bx * q2 + _2bz * q0) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (_2bx * q3 - _4bz * q1) * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
			s2 = -_2q0 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q3 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) - 4.0f * q2 * (1 - 2.0f * q1q1 - 2.0f * q2q2 - az) + (-_4bx * q2 - _2bz * q0) * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx)
			        + (_2bx * q1 + _2bz * q3) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my) + (_2bx * q0 - _4bz * q2) * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
			s3 = _2q1 * (2.0f * q1q3 - _2q0q2 - ax) + _2q2 * (2.0f * q0q1 + _2q2q3 - ay) + (-_4bx * q3 + _2bz * q1) * (_2bx * (0.5f - q2q2 - q3q3) + _2bz * (q1q3 - q0q2) - mx) + (-_2bx * q0 + _2bz * q2) * (_2bx * (q1q2 - q0q3) + _2bz * (q0q1 + q2q3) - my)
			        + _2bx * q1 * (_2bx * (q0q2 + q1q3) + _2bz * (0.5f - q1q1 - q2q2) - mz);
			recipNorm = 1 / sqrt(s0 * s0 + s1 * s1 + s2 * s2 + s3 * s3); // normalise step magnitude
			s0 *= recipNorm;
			s1 *= recipNorm;
			s2 *= recipNorm;
			s3 *= recipNorm;

			// Apply feedback step
			qDot1 -= beta * s0;
			qDot2 -= beta * s1;
			qDot3 -= beta * s2;
			qDot4 -= beta * s3;
		}

		// Integrate rate of change of quaternion to yield quaternion
		q0 += qDot1 * dt;
		q1 += qDot2 * dt;
		q2 += qDot3 * dt;
		q3 += qDot4 * dt;

		// Normalise quaternion
		recipNorm = 1 / sqrt(q0 * q0 + q1 * q1 + q2 * q2 + q3 * q3);
		q0 *= recipNorm;
		q1 *= recipNorm;
		q2 *= recipNorm;
		q3 *= recipNorm;
	}

	float AHRS::getRoll() {
		return asin(2 * (q0 * q2 - q1 * q3));
	}

	float AHRS::getPitch() {
		return atan2(2 * (q0 * q1 + q2 * q3), 1 - 2 * (q1 * q1 + q2 * q2));
	}

	float AHRS::getYaw() {
		return atan2(2 * (q0 * q3 + q1 * q2), 1 - 2 * (q2 * q2 + q3 * q3));
	}
}
